Элементарные частицы. Свойства элементарных частиц. Классификация элементарных частиц

Элементарные частицы принято считать не состоят из более простых составных частей. Но основное их свойство – это превращение друг в друга без промежуточных стадий, т.е. без их деления на составные части в этом процессе.

Сегодня насчитывается более трехсот пятидесяти элементарных частиц.

Элементарная частица характеризуется наличием массы, зарядом, квантовыми числами и фундаментальным взаимодействием (сильным, слабым, электромагнитным, гравитационным).

Классификация элементарных частиц.

1. Фотоны – кванты электромагнитных полей.

2. Лептоны (легкие частицы, электроны, нейтрино, τ- и µ- мезоны).

3. π- мезоны.

4. Барионы (тяжелые частицы, протоны, нейтроны, гипероны, резонансы).

Барионы и π- мезоны участвуют в сильном взаимодействии, поэтому их называют адронами (с др.греч.- сильный). Нейтрино, относящийся к лептонам, характеризуется нулевой массой. Протоны и нейтроны состоят из кварков, которые "склеиваются" глюонами. Кварки и глюоны в свободном виде не существуют.

По типу взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы, все они, за исключением фотона, могут быть отнесены к двум группам.

К первой относятся адроны, для которых характерно наличие сильного взаимодействия, но они могут участвовать также в электромагнитном и слабом взаимо­действиях.

Ко второй группе принадлежат лептоны, участ­вующие только в электромагнитном и слабом взаимо­действиях.

Квантовые числа дают представление о состоянии элементарных частиц и квантовых систем. Для характеристики состояния электрона, находящегося в атоме, определяют четыре квантовых числа, к ним относятся:

n – главное или основное квантовое число (указывает на номер орбиты и энергетическое состояние частицы на ней),

l – орбитальное число (характеризует форму орбиты "электронного облака") и изменяется от 0 до n–1,

m – магнитное число (магнитный момент вращающейся частицы, характеризует ориентацию орбит – "электронных облаков" и может изменяться от +1 до –1),

s – спиновое квантовое число (собственный момент количества движения электрона) характеризует вращение электрона вокруг собственной оси и принимает два значения: +½, –½. Следует помнить, что спиновое число не связано с реальным движением частицы из-за ее чрезвычайно малого размера.

Помимо общих групповых характеристик, элемен­тарные частицы обладают также специфическими, ин­дивидуальными признаками. К ним относят массу частицы, время ее жизни, спин, электрический заряд, квантовые числа. По массе частицы делятся на тяжелые, промежуточные и легкие. По времени жизни различают ста­бильные, квазистабильные и нестабильные частицы. Например, время жизни протона более 1,6 ·10³³ лет.

Элементарные частицы еще подразделяют на бозоны и фермионы.

Бозоны (частицы с целым спином, s=1) подчиняются распределению Бозе –Эйнштейна. Частицы могут иметь одинаковые квантовые числа. К фундаментальным векторным бозонам относят фотоны, глюоны (масса их равна 0), нейтральные (z^о) и заряженные (w^-, w⁺) бозоны. Фермионы подчиняются распределению Ферми-Дирака и для них справедлив принцип Паули. Согласно принципу Паули в атоме не могут находиться частицы, имеющие одинаковые все четыре квантовые числа. Причем, на каждой орбите может находиться только определенное число электронов: z=n², где z- число электронов на орбите, n- номер орбиты: 1, 2, 3,… у фермионов спин, s, имеет полуцелое число. К фермионам относятся кварки, протоны, нейтроны, электроны, мюоны. Кварки имеют дробный заряд.

В микрофизике известна и играет важную роль фундаментальная длина, называемая планковской, или гравитационной длиной, l = 1,610^-33 см. Считается, что длины меньше планковской в природе не существует Совместно с планковским временем τ = 10^-43 с., они составляют пространственно-временные кванты, которые призваны составить основу будущей квантовой теории гравитации. Сегодня наукой измерены предельные значения времени и длины: 10^-27 с. и 10^-17 см. соответственно.